泡沫镍基底富氧空位MnO2的原位生长及其低温甲烷高效催化氧化性能研究

本文创新性地通过金属有机框架（MOF）模板法在泡沫镍（NF）上原位构建富氧空位MnO2催化剂（MnO2-Ov/NF），实现了325℃下90%甲烷（CH4）转化率（T90）。研究揭示NiFePBA模板双重作用：促进MnO2高密度负载的同时诱导氧空位（Ov）生成，通过终端型（M=O）和桥型（M-O-M）氧物种协同活化CH4，为工业级低温甲烷氧化催化剂设计提供新范式。

　　

Highlight

本研究开发了一种通过氧化还原介导策略在泡沫镍（NF）上构建富氧空位MnO₂催化剂（MnO₂-Ov/NF）的创新方法。该催化剂在低温甲烷（CH₄）氧化中展现出卓越性能，其核心突破在于：

1）利用K₂NiFe(CN)₆（NiFePBA）模板的双重功能——既作为MnO₂三维生长的骨架，又作为氧空位（Ov）的诱导剂；

2）通过精确调控锰负载量（0.01M KMnO₄）获得最佳氧缺陷密度，使CH₄在325℃即可实现90%转化；

3）首次通过原位红外-质谱联用（DRIFTS-MS）捕捉到关键中间体单齿碳酸盐的低温分解行为，揭示了氧空位对反应路径的调控机制。

Physical phases

X射线衍射（XRD）分析显示（图2a），MnO₂-Ov-0.01/NF在44.6°、52.0°和76.4°处出现金属镍的特征峰（对应PDF#04-004-8868标准卡片），而25.1°和35.8°的衍射峰证实了NiFePBA模板的成功构建。值得注意的是，经过氧化还原蚀刻处理后，催化剂表面出现了典型的MnO₂晶相特征，且通过精修计算发现其晶格畸变率较传统MnO₂/NF提高23%，这直接证实了氧空位的成功引入。

Conclusion

通过NiFePBA模板导向的原位氧化还原策略，我们成功制备出具有高比表面积、高锰负载量和丰富氧空位的整体式MnO₂-Ov-0.01/NF催化剂。该材料在低温CH₄氧化中表现优异，其性能提升主要源于：1）NiFePBA衍生的有序金属簇有效稳定MnO₂纳米结构；2）可控产生的氧空位显著提升晶格氧迁移率；3）终端型氧物种（M=O）在低温阶段优先活化CH₄分子。这项工作为开发工业适用的低温甲烷净化催化剂提供了新思路。